Стружкообразование - это сложный физический процесс, сопровождающийся большим тепловыделением, деформацией металла, износом режущего инструмента и наростообразованием на поверхности инструмента. Знание закономерностей стружкообразования сопровождающих явлений при резании позволяет рационально управлять этим процессом и изготовлять детали более качественно, производительно и экономично.
Резание на токарном станке представляет собой ряд действий, приводящих к изменению формы и размера первоначальной заготовки за счет снятия металла режущим инструментом. Процесс резания металла и образования стружки впервые исследован (1870 г.) русским ученым профессором И. А. Тиме, наблюдения и выводы которого сохраняют свою силу и в настоящее время. Стружка, образующаяся при резании вязких металлов (сталь, латунь), профессор Тиме назвал стружками скалывания, а получающиеся при обработке хрупких металлов (чугун, бронза)— стружками надлома.
Образование стружки скалывания происходит следующим образом. Резец (рис. 1, а) под действием силы Р внедряется в обрабатываемый металл, преодолевая сопротивление металла смятию. Это смятие происходит лишь внутри элемента 1 металла, ограниченного плоскостью называемой плоскостью скалывания (условно изображена на рис. 1, а линией АА) и передней поверхностью резца.
Рис. 1. Образование стружки скалывания
На рисунке 2. представлена условная схема резания, являющаяся основой современной, существующей в справочно-нормативной литературе, математической моделью по расчёту силы резания.
Рис. 2. – Условная схема процесса резания: aр – ширина срезаемого слоя; Vр – вектор скорости резания; β – угол сдвига; ω – угол действия; R – сила резания; N – сила нормального давления; F – горизонтальная сила; Pz – вертикальная составляющая силы резания; Py – радиальная составляющая силы резания; γ – передний угол резца; Vс – вектор движения стружки; aс – ширина стружки; C – длина полного контакта стружки по передней поверхности инструмента
В некоторый момент движения резца начнется смещение (скалывание) элемента 1 относительно следующего элемента (рис. 1, б), происходящее по плоскости АА.
При дальнейшем резании на токарном станке, движении резца одновременно с продолжающимся смещением (скалыванием) элемента 1 образуется элемент 2, перемещающийся относительно элемента 3, и т. д. По мере продвижения резца все элементы отделяются один от другого, образуя элементную стружку скалывания (рис. 3, а). Такая стружка получается при обработке с малой скоростью твердых и вязких металлов, например, твердой стали. С уменьшением твердости металла и увеличением его вязкости элементы стружки образуют более или менее непрерывную ленту (рис. 3,б, в), называемую сливной стружкой скалывания. Поверхность стружки, соприкасающаяся с передней гранью резца, получается гладкой, а противоположная ей — шероховатой.
Рис. 3. Виды стружек: стружки скалывания (а, б, в) и стружка надлома (г)
Русский исследователь Усачев Я. Г., продолживший работу Тиме И. А., доказал, что при резании вязких, но твердых материалов, например стали средней твердости и твердой, кроме скалывания элементов стружки, происходит еще и сдвиг частиц металла в каждом элементе по плоскости ВВ (рис. 1, а), называемой плоскостью сдвига. Угол между плоскостями скалывания и сдвига колеблется в пределах 0-30° Чем более вязкий металл, тем больше этот угол и наоборот.
Усачев Я.Г. установил также, что при резании сравнительно мягкой стали перемещения частиц стружки происходят лишь по плоскостям, параллельным плоскости сдвига.
Образование стружки надлома при резании на токарном станке твердых и хрупких металлов (чугун, бронза) происходит без заметного смятия металла. Элементы стружки, отделяясь от основной массы металла по произвольной поверхности (рис. 3, г), имеют различную величину и форму. Поверхности отрыва элементов получаются неровными, вследствие чего и обрабатываемая поверхность получается с большой шероховатостью.
Вид стружки зависит не только от обрабатываемого материала, но и от ряда других условий. Например, при точении стали средней твердости резцом с большим углом резания может образоваться не сливная стружка скалывания, а элементная. При повышении скорости резания некоторые элементы стружки не успевают настолько деформироваться, чтобы отделиться один от другого, вследствие чего вместо элементной может получиться сливная стружка скалывания.
Разработанная во второй половине 19 века, когда применяемый диапазон скоростей обработки металлов лежал в интервале 10-30 м/мин, условная схема резания на токарном станке часто применяется и до настоящих дней при рассмотрении механики процесса, для условий, когда твёрдосплавные инструменты позволяют применять скорости резания на порядок больше. Механический перенос условий резания с низкими скоростями обработки в диапазон высоких скоростей обнаружил ряд фактов, вступающих в противоречие с принятой условной схемой резания. Так, например, оказалось, что при резании на токарном станке конструкционных сталей, имеющих низкую прочность, в диапазоне скоростей выше зоны наростообразования, измеренные значения составляющих силы резания выше, чем при обработке сталей, имеющих высокую прочность. Расчётные же значения этих сил, определённые по математическим моделям, которые построены на положениях условной схемы резания, прямо противоположны измеренным. Ниже будет приведён и ряд других фактов из разряда «парадоксов», если руководствоваться положениями условной схемы резания во всём диапазоне применяемых ныне в заводской практике скоростей резания.
Стружкообразование, её условная схема, представляет процесс резания как процесс пластического деформирования срезаемого слоя металла только в плоскости сдвига OL. По этой схеме (рис. 2) образование стружки происходит в результате последовательно и непрерывно снимаемых при сдвиге бесконечно тонких слоев ∆с по условной плоскости сдвига OL. Считается, что процесс пластического деформирования, формирующий стружку в плоскости сдвига OL находится во взаимосвязи с процессом трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Эта взаимосвязь образует величину угла сдвига β и, следовательно, величину сил резания. В условной схеме процесса резания принято считать, что сопротивление пластическому деформированию по плоскости сдвига пропорционально прочностным характеристикам металла, полученным при статических испытаниях. В ней не учитывается процесс деформационного упрочнения металла, а также влияние изменения площади условной плоскости сдвига ОL (толщины зоны стружкообразования) на составляющие силы резания. Условная схема процесса резания не объясняет физической природы влияния размера зоны "вторичных" контактных пластических деформаций на величину горизонтальных составляющих силы резания на токарном станке Px и Py.
Данная схема процесса резания, качественно позволяющая вести анализ механики процесса стружкообразования, не позволяет получить точные количественные зависимости и не может объяснить ряд установленных физических фактов. Так по условиям чистовой и получистовой обработки сталей твердосплавным инструментом применяются скорости резания, при которых в зоне контактного взаимодействия по передней поверхности инструмента формируется различный по своей природе пластический и вязкий (упругий) контакт. Этот факт установлен и отражен во многих отечественных и зарубежных публикациях. Но он входит в противоречие с попыткой объяснения определяющей роли коэффициента трения μ в формировании угла сдвига β (угол между вектором скорости резания Vp и плоскостью сдвига ОL), когда полная длина контакта сходящей стружки С состоит из участков с внешним трением (упругий контакт) и участка с внутренним трением (пластический контакт). Отношение размеров участков пластического контакта и длины полного контакта изменяются в широких пределах (0,3–0,8) в зависимости от физико-механических и теплофизических свойств обрабатываемых сталей, твердосплавных инструментов и скорости резания. Если в этом случае принять, что в формировании угла сдвига β определяющий вклад вносит коэффициент внешнего трения μ, то должно быть однозначным и влияние на угол коэффициента внутреннего трения на участке пластического контакта. А это при различных соотношениях площадей и различной физической природе двух видов трения недопустимо.
Условная схема резания на токарном станке не объясняет и тот факт, что при резании сталей резцами с укороченной передней гранью значение угла β формируется без участка упругого контакта, т.е. без участка внешнего трения. Если принятая схема стружкообразования с единственной плоскостью сдвига реальна (рис. 2), тогда следует в нарушение законов механики, признать факт "мгновенного" поворота вектора скорости резания Vр до положения вектора скорости перемещения стружки Vс. Факт "мгновенного" возрастания степени деформации ε от нуля до 2–3 единиц, "мгновенного" роста упрочненного состояния металла в зоне стружкообразования в 1,5–2 раза и существенно большего упрочнения в зоне "вторичных" контактных пластических деформаций. В реальных условиях применения высоких скоростей резания эти процессы протекают во времени и по пути перемещения срезаемых объемов металла по передней поверхности инструмента и происходящие при этом процессы не могут быть в полной мере описаны условной схемой резания на токарном станке.
